隨著COVID-19大流行的發展，我們一直在問自己的問題已經從“我如何知道我是否被感染了?”到“我的免疫力有多強?”到“我是哪一種病毒?”而且，隨著新的變種不斷出現，我們很可能會一直問自己這些問題，通常是在同一時間。

現在，有一種方法可以在幾個小時內得到所有問題的答案，而不需要把樣本送到實驗室。哈佛大學Wyss生物靈感工程研究所的成員創造了一種新的即時護理診斷設備，將該研究所的eRapid和SHERLOCK技術集成到一個明信片大小的單一系統中，可以同時檢測患者唾液中是否存在SARS-CoV-2 RNA和對抗該病毒的抗體，以及可能存在的其他多種生物標志物。

麻省理工學院媒體實驗室和Wyss研究所的研究生Devora Najjar是第一作者之一，他說:“這種診斷方法可以在一段時間內對人群中的感染和免疫進行更便宜的多路監測，其準確性與昂貴的實驗室測試相當。這種方法可以極大地改善全球對未來大流行的應對，也可以深入了解個人應該接受哪種治療�！薄禢ature Biomedical Engineering》上發表的一篇新文章描述了這種原型設備。

新病毒的新化學成分

這一診斷是由威斯學院核心教員Jim Collins博士和Don Ingber(他也是該研究所的創始主任)實驗室的合作產生的。由Ingber和Wyss高級研究員Pawan Jolly博士領導的eRapid團隊，以及由Collins和Helena de Puig博士(Wyss博士后)領導的SHERLOCK團隊認識到，雖然基于SHERLOCK的診斷可以以極高的靈敏度檢測分子，但它們本質上受到基于熒光的讀取系統的限制。如果他們能找到一種方法，將SHERLOCK這樣基于CRISPR的系統的分子檢測轉化為像eRapid產生的電化學信號，他們就能創造出一種具有實驗室級別精度的診斷，可以在非實驗室環境下使用。他們開始制造這種混合設備并選擇萊姆病作為他們的目標應用。幾個月之內，他們就把它修好了。隨后，COVID-19大流行襲來。

“在早期，每個人都在致力于開發能夠檢測SARS-CoV-2病毒或抗體的診斷方法，但不能同時檢測兩種病毒。由于我們在萊姆病方面的工作，我們知道我們可以成功地通過電化學方法檢測到DNA和RNA分子的存在。我們決定找出如何將其與抗體檢測結合起來，以創建一種一體化測試，幫助跟蹤感染和抗擊大流行，”該論文的第一作者之一de Puig說。

但是，創建一個能夠整合病毒RNA和人類蛋白質檢測的平臺是一個挑戰。研究小組必須弄清楚如何同時進行兩種不同類型的分子反應，然后將它們整合到一個報告系統中，以便同時讀取結果。

他們選擇唾液作為樣本材料，因為在那里都能找到病毒顆粒和抗體。對于診斷的SHERLOCK部分，即檢測SARS-CoV-2 RNA的存在，該設備需要能夠從唾液樣本中提取、濃縮和放大病毒RNA，然后將其與CRISPR試劑混合，并將得到的溶液輸送到eRapid芯片部分進行檢測。

該團隊設計了一個由多個儲層、通道和加熱元件組成的微流體系統，可以在原型設備內自動混合和傳輸物質，而不需要用戶輸入。在第一個腔室中，唾液與一種酶結合，這種酶可以打開任何病毒的外膜，暴露它們的RNA。然后將樣品泵入反應室，加熱并與環介導等溫擴增(LAMP)試劑混合，以擴增病毒RNA。放大30分鐘后，將含有SHERLOCK試劑的混合物加入實驗室內，然后將樣品泵入eRapid電極上。

在混合物中沒有SARS-CoV-2遺傳物質的情況下，帶有生物素的單鏈(ssDNA)分子與電極表面的肽核酸(PNA)分子結合。然后，生物素與混合物中的另一種分子聚合酶鏈霉親和素結合，從而導致第三種分子，四甲基聯苯胺(TMB)以固體形式從液體溶液中析出。當固體TMB落在電極上時，它的導電性就會改變。這種變化被檢測為通過電極的電流量的差異，表明樣品沒有病毒。

然而，如果唾液樣本中存在任何SARS-CoV-2遺傳物質，SHERLOCK混合物中的CRISPR酶就會切斷它和ssDNA。這種切割作用將生物素分子從ssDNA中分離出來，因此當ssDNA與PNA結合時，它不會觸發導致TMB沉淀到電極上的一系列反應。因此，電極的電導率不變，表明測試結果為陽性。

“基于PNA的分析與我們為該設備創建的多酶標鏈霉親和素/TMB反應化學相結合，使我們能夠檢測SARS-CoV-2的存在，靈敏度比我們最初的基于熒光的SHERLOCK技術高4倍，并在大約相同的時間內產生結果，”共同第一作者Joshua Rainbow博士說，他曾是威斯研究所的訪問研究生，現在是巴斯大學的博士生�！八�還能夠100%準確地檢測到病毒RNA的存在�！�

大于各部分之和

與此同時，該團隊定制了其余3個eRapid電極，將患者可以產生抗體的不同COVID相關抗原鑲嵌在電極上:刺突蛋白(S1)的S1亞基、該亞基內的核糖體結合域(S1-RBD)和N蛋白，N蛋白存在于大多數冠狀病毒(N)中。如果患者的唾液樣本包含一種或多種這種抗體，它們就會與電極上的伴侶抗原結合。附著在生物素上的第二抗體將與目標抗體結合，觸發相同的poly-HRP-streptavidin/TMB反應，并引起電極電導率的變化。

研究人員使用以前SARS-CoV-2檢測呈陽性的患者的人體血漿樣本測試了這些抗體特異性傳感器。該系統能夠區分針對S1、S1-RBD和N蛋白的抗體，準確率超過95%。

“能夠輕松地區分不同類型的抗體對于確定患者的免疫是由于疫苗還是感染，并隨著時間的推移跟蹤這些不同的免疫水平的強度是非常有益的，”Sanjay Sharma Timilsina博士說，他是Wyss研究所的前博士后研究員，現在是StataDX的首席科學家�！皩⑵渑c病毒RNA檢測結合在一個便攜式多路診斷平臺上，可以全面了解患者在感染期間和之后的健康狀況，這對實施公共政策和疫苗接種戰略至關重要�！盨tataDX正在將eRapid商業化，用于神經、心血管和腎臟應用。

最后，研究小組利用SARS-CoV-2患者的唾液測試了結合的病毒RNA和抗體電極。他們將唾液分成兩部分，一部分加入抗體庫，另一部分加入設備的RNA庫。兩小時后，他們測量了電極的讀數，看看是否正確地記錄了抗體和RNA的存在。研究小組發現，多路芯片正確識別陽性和陰性RNA和抗體樣本，準確率為100%。它還非常敏感，能夠檢測到每微升0.8拷貝的RNA。

“目前，還缺乏低成本的診斷平臺，可以在不需要前往實驗室的情況下準確檢測多種分子。我們的系統提供了最好的兩個世界-高精度和低成本的多路平臺-可以為患者和臨床醫生提供大量的價值在護理點。此外，它很容易適應廣泛的應用。這種診斷設備讓我興奮的地方在于，它結合了高水平的準確性和靈活的設計，這可能使它成為我們應對未來流行病的主要工具�！�

該原型設備的低成本和緊湊的設計是用戶友好的，最大限度地減少了患者需要執行的步驟，減少了操作錯誤的可能性。定制的墨盒可以很容易地制造出來，用于檢測不同疾病的抗原和抗體，不限使用場景。

Lab-on-a-chip multiplexed electrochemical sensor enables simultaneous detection of SARS-CoV-2 RNA and host antibodies